Лабораторная работа №4

Общее знакомство с металлическими сплавами (стали)

Цель работы: ознакомиться с классификацией, принципами маркировки и назначением сталей.

Общие сведения

Сталь широко применяется в промышленности как основной машиностроительный материал. Под сталью понимают сложные по химическому составу сплавы железа с углеродом, содержащие от 0,02 до 2,14% С, а также постоянные примеси Mn, Si, S, P, О, N, Н и др., которые попадают в сплав в процессе выплавки из руд, металлического лома, и оказывают влияние на свойства сталей. Элементы, специально вводимые в сталь с целью улучшения ее физико-химических свойств, называются легирующими, а сталь, содержащая такие элементы ‑ легированной сталью. Стали классифицируются по химическому составу, по качеству (способу производства) и по применению (назначению).

Классификация сталей по химическому составу

По химическому составу различают углеродистые и легированные (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 14959-79) стали. По содержанию углерода те и другие подразделяют на низко- (менее 0,25% С), средне- (0,30 – 0,70% С) и высокоуглеродистые (более 0,7% С). В зависимости от суммарного содержания легирующих элементов различают низко- (менее 5%), средне- (5,0 ‑ 10,0%) и высоколегированные (более 10,0%) стали.

Классификация сталей по качеству

По качеству различают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Эта классификация определяет условия металлургического производства сталей и, прежде всего, содержание в них вредных примесей, которыми являются сера S и фосфор P.

К сталям обыкновенного качества относят углеродистые, содержащие до 0,6% С, до 0,06% S и до 0,07% P. В этих сталях допускается наиболее высокое содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, т.к. они выплавляются по нормам массовой технологии. Из них изготавливают горячекатаный сортовой прокат: балки, прутки, швеллеры, уголки, трубы и т.п., а также холоднокатаную листовую сталь.

В соответствии с ГОСТ 380-88 выпускаются три группы (А, Б и В) сталей обыкновенного качества.

В группу А входят стали, поставляемые по механическим свойствам без уточнения их химического состава (такая сталь может иметь повышенное содержание серы или фосфора). Стали этой группы обозначаются буквами Ст (сталь) и цифрами 0,1,2…6 (условный номер марки). Чем больше число, тем выше содержание углерода и прочность (σ_в, МПа) и ниже пластичность (δ,%). Если после номера марки есть буква "Г", то это указывает на повышенное содержание марганца в стали (0,80 % и более). Стали группы А используют в состоянии поставки без последующей горячей обработки давлением или термической обработки. Примерами сталей этой группы могут служить марки: Ст0, Ст1, Ст3Г, Ст4.

Группа Б – стали, поставляемые с гарантированным химическим составом. В обозначение марки стали этой группы впереди ставится буква Б, например, БСт0, БСт1 и т.д.

Группа В представляет стали, поставляемые с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. В обозначение марки стали этой группы вводится группа В, например, ВСт1, ВСт5. Химический состав стали такой же, как у соответствующей марки группы Б, а механические свойства такие же, как у группы А.

Стали групп Б и В применяют в случаях, когда сталь необходимо подвергать горячей деформации или упрочнять термической обработкой.

В соответствии с ГОСТ 380-94 (ГОСТ 380-2005) к сталям обыкновенного качества первой категории отнесены стали групп В и Б, второй категории – стали группы А. Для указания категории стали к обозначению марки добавляют номер в конце соответствующий категории, первую категорию обычно не указывают. Например:

Ст1кп2 ‑ углеродистая сталь обыкновенного качества, кипящая, № марки 1, второй категории, поставляется потребителям по механическим свойствам (группа А);

ВСт5Г ‑ углеродистая сталь обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца, спокойная, № марки 5, первой категории с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В);

ВСт0 ‑ углеродистая сталь обыкновенного качества, номер марки 0, группы Б, первой категории (стали марок Ст0 и БСт0 по степени раскисления не разделяют).

Стали обыкновенного качества распределяются, кроме того, на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Спокойные стали раскисляют в процессе плавки марганцем, кремнием, алюминием, титаном. В них содержится минимальное количество кислорода и различных окислов. Содержание кремния обычно 0,15 – 0,35%. Спокойные стали обозначают буквами «сп» в конце марки (иногда буквы опускаются), например, Ст3сп, ВСт5сп, ВСт4сп и т.д.

Кипящие стали слабо раскислены, их раскисляют в процессе плавки только марганцем, содержание кремния не более 0,1% (следы). Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который, взаимодействуя с углеродом, образует пузырьки СО. Выделение пузырьков из металла создаёт впечатление, что он кипит. Часть их остаётся в металле, образуя его сотовидное строение. Кипящие стали обозначаются дополнительно буквами «кп», например, ВСт3кп, Ст2кп, ВСт4кп.

Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими и содержат до 0,17% кремния (предварительно раскисляются марганцем). Полуспокойные стали обозначаются дополнительно буквами «пс», например, Ст1пс, Ст2пс, ВСт5пс и т.д. Благодаря большей однородности по сравнению с кипящей сталью полуспокойная сталь имеет свойства, близкие к свойствам спокойной стали. Спокойная сталь применяется для производства проката и фасонных отливок; полуспокойная и кипящая – для проката.

Качественные стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. По химическому составу это углеродистые и легированные стали, содержание серы и фосфора в которых не должно превышать 0,035% каждого. Колебания в содержании углерода в пределах марки не должно превышать 0,08%.

Качественные углеродистые стали по ГОСТ 1050-88 маркируются двухзначными числами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: 08, 10, 15, 20…85. Так, сталь 10 содержит 0,07-0,14% углерода, сталь 45 – от 0,42 до 0,50%, сталь 60 ‑ от 0,57 до 0,65% углерода. При этом для сталей с C < 0,2%, не подвергнутых полному раскислению, в обозначение добавляются буквы кп (для кипящей стали) и пс (для полуспокойной). Для спокойных сталей буквы в конце их наименований не добавляются. Например, 08кп, 10пс, 15, 18кп, 20 и т.д.

Качественные легированные стали в соответствии с ГОСТ 4543-71 маркируются цифрами и буквами, например, 15Х; 18ХГТ, 45ХФ; 60С2 и т.д. Двузначные цифры в начале марки указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента; буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент: А – N (азот); Б – Nb (ниобий), B – W (вольфрам), Г – Mn (марганец), Д – Cu (медь), Е – Se (селен), К – Co (кобальт), Н – Ni (никель), M – Mo (молибден), П – P (фосфор), Р – В (бор), C – Si (кремний), T – Ti (титан), Ф – V (ванадий), Х – Cr (хром), Ц – Zr (цирконий), Ю – Al (алюминий), У – редкоземельный. Цифры после буквы (символа элемента) указывают примерное содержание соответствующего легирующего элемента в целых процентах, отсутствие цифры указывает, что оно составляет около 1% и менее (за исключением молибдена и ванадия, содержание которых обычно составляет до 0,2-0,3%), а также бора (в стали с буквой Р его должно быть не менее 0,0010%). Например, сталь состава C 0,09-0,15%, Cr 0,4-0,7%, Ni 0,5-0,8% имеет обозначение 12ХН, сталь состава C 0,27-0,34%, Cr 2,3-2,7%, Mo 0,2-0,3%, V 0,06-0,12% обозначается 30Х3МФ, а сталь состава 0,03% C, 16,0% Cr, 15,0% Ni, до 3,0% Мо, до 1,0% Nb маркируется 03Х16Н15М3Б.

Качественные стали с повышенными свойствами, используемые для производства котлов и сосудов высокого давления, согласно ГОСТ 5520-79, обозначают как конструкционные нелегированные стали, но с добавлением буквы К в конце наименования стали: 15К, 18К, 22К.

Литейные конструкционные стали, согласно ГОСТ 977-88, обозначаются как качественные и легированные, но в конце наименования приводится буква Л, например, 15Л, 20Г1ФЛ, 35 ХГЛ и др.

Высококачественные стали. Это углеродистые и легированные стали, выплавляемые преимущественно в электрических и кислых мартеновских печах. Содержание серы и фосфора не более 0,025% каждого, а колебания углерода в пределах марки не более 0,07%. Чтобы показать, что сталь относится к группе высококачественных в конце ее обозначения ставят букву А, например, 20Х2Н4А 12ХН3А и др.

Стали особовысококачественные – это легированные стали, выплавляемые в электрических печах с электрошлаковым переплавом, обеспечивающим эффективную очистку от сульфидов и оксидов, содержат серу и фосфор не более 0,015% каждого. Чтобы показать, что сталь относится к группе особовысококачественных, в конце ее обозначения через тире ставят букву Ш, например, 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш и др.